大规模无人机集群通信定位一体化技术

大规模无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)集群通过部署大量低成本无人机,依靠协同感知、信息共享和分工协调完成各类复杂任务,具备高度的智慧性和自主性,已逐渐成为无人机集群技术未来的发展趋势。大规模无人机集群十分依赖高精度定位技术,以维持集群稳定、避免相互碰撞、实现目标指引。然而,在现有的主要导航定位方式中,微机电(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)惯性导航存在严重的累积误差,而复杂电磁环境下卫星导航易受到干扰,均难以实现高精度相对定位和长时间全局定位。针对这一问题,本文依靠通信测距技术,实现无人机集群内部高精度相对测距,修正惯导定位误差,为无人机集群在卫星导航拒止条件下执行任务提供高精度导航定位服务。本文建立了惯性导航定位模型和通信测距信号模型,构造了基于最大后验概率(Maximum A Posteriori,MAP)方法的融合定位问题,推导得到了该定位问题的克拉美-罗下界(Cramér-Rao Lower Bound,CRLB),并提出了一种基于高斯牛顿优化的全信息融合定位方法。针对长距离飞行中,测距精度远高于惯导定位精度的场景,本文提出了一种基于优超函数算法(Scaling-by-Majorizing-A-Complicated-Function,SMACOF)的高精度测距辅助定位方法,通过建立高精度相对坐标和最优变换参数估计,实现最优位置估计,并分析了该方法的性能改进程度。最后,通过数值仿真验证本文所提出的方法能够将融合后的定位标准差降低至惯导定位标准差的√2/N,能够渐进达到CRLB性能。

高精度定位新范式:通信定位一体化技术及应用

随着自动驾驶、智能工厂和增强现实等新型业务的迅速发展,新一代移动通信系统(6G)对高精度定位的需求日益迫切。为满足6G智能感知应用厘米级定位精度的需求,通信定位一体化技术作为一种高精度定位新范式被重点研究。首先回顾了无线定位的定义和分类、基础定位方法以及性能衡量指标。随后,简要概述了6G通信定位一体化的背景和定义。进一步地,深入讨论了通信定位一体化关键技术及6G典型业务场景,重点关注相较于传统蜂窝网络定位,6G通信定位一体化关键技术所独有的优势与挑战。在此基础上,对6G通信定位一体化的未来研究方向进行了展望。

基于可见光和射频融合的通信定位一体化系统

针对在可见光和射频融合网络中,传统的基于接收信号强度的用户切换方案未考虑用户切换错误率的问题,提出了基于位置的用户切换方案。具体地,设计并实现了一套基于低成本物联网芯片ESP32的可见光−射频融合的通信定位一体化系统,该系统使用可见光通信下行数据、Wi-Fi上行数据。设计了基于时−频复用的通信定位一体化框架,使用神经网络估计用户的位置,用户根据估计的位置完成切换。在通信方面,系统的吞吐量最高可达35 kbit/s;在定位方面,系统的定位精度可达2.8 cm,比传统系统的定位精度提升了33%。与基于接收信号强度的切换方案相比,所提方案的用户切换错误率降低了4%。

无线通信定位一体化进展及其在煤矿井下应用分析

无线通信定位一体化(ILWC)是一种基于硬件资源及软件信息共享以实现定位与通信功能协同的新型信息技术。通过简述无线通信技术和定位技术的研究进展,揭示了ILWC技术是无线通信系统承载业务拓展的必然结果。给出了不同研究对于ILWC技术的定义和内涵,明确了ILWC核心思想为“硬件集成,软件共享”,按照设备复用和深度融合2个阶段综述了ILWC技术的研究进展。结合煤矿井下场景的特殊性,提出了煤矿井下ILWC概念:基于时间、空间、频谱、计算等资源共享,具有场景自动感知和资源动态自适应分配机制的通信功能和定位功能融合技术。对煤矿井下ILWC在大巷、中央变电所、井底车场、采煤工作面等场景的适应性进行了讨论,指出井下ILWC面临的挑战是煤矿井下无线信道复杂性、基站部署不均衡性、井下复杂场景精准判别。

面向无人集群的通信定位一体化方法研究

针对无人集群协同作战通信/定位的集约化设计需求,提出了一种单载波频域均衡(SCFDE)与直接序列扩频(DSSS)技术有机结合的通信定位一体化波形。一方面,利用SCFDE中频域均衡易于克服频率选择性衰落且便于与DSSS结合的优势,使系统具有良好的适应复杂场景的通信能力;另一方面,利用恒包络零自相关导频序列的优良自相关和互相关特性,将其作为导频序列并计算与本地导频符号的循环移位相关,检测相关峰值即可实现整数符号周期信号到达时间估计。同时,结合用于信道估计的导频序列,构建差分延时相关模型,有效解决了小数采样周期信号到达时间估计问题,实现了高精度的信号到达时间估计。

毫米波通信定位一体化自组网资源分配技术

毫米波通信链路具有低延迟、高速率和高定向性的特点,能够实现高速率自组网通信和高精度节点定位。在通信定位一体化背景下,研究了毫米波自组网中的多用户资源分配问题。系统采用基于正交频分多址(OFDMA)的多用户通信定位一体化框架,推导了基于位置估计误差界(PEB)和方位估计误差界(OEB)的多用户定位性能准则和基于数据速率的通信准则,建立了时域和频域的资源分配优化问题模型,在保障链路通信速率的前提下,最优化用户的定位性能指标。为了求解上述混合整数非线性规划问题,引入广义Benders分解算法,将优化问题分解为主问题和子问题进行迭代求解,得到有效的资源分配结果,最后通过仿真验证了资源分配对定位与通信性能的影响以及算法的有效性。

基于深度强化学习的可见光定位通信一体化功率分配研究

为了实现定位通信一体化功率分配,提出了一种基于深度强化学习的可见光定位通信(VLPC)一体化系统的功率分配方案。首先,提出了定位通信一体化帧结构设计;其次,利用定位信息实现了信道状态信息的估计,并推导了定位误差的克拉美罗下界(CRLB);再次,阐明了定位精度和通信速率的内在耦合关系;最后,提出了基于深度确定性策略梯度的VLPC动态功率分配方案。仿真结果表明,所提方案可同时实现高精度定位和高速通信。

面向5G移动通信网的高精度定位技术分析

如何提高室内定位精度并实现室内外定位的连续无缝覆盖是定位领域急需解决的问题,针对该问题,首先介绍了4G定位的标准与技术,并分析了其特点与不足。然后,分析了面向5G的超密集组网下的定位技术,AOA、TDOA定位技术以及上下行定位技术。最后,指出定位一体化和融合化是未来5G定位发展的趋势,进而提出了一种面向5G的异构融合一体化定位系统的网络架构。

全源矿井定位:一种智能煤矿位置服务新范式

矿山动目标定位系统为煤矿智能化建设提供基于位置的服务。而传统的矿井定位系统中定位信标与定位标签之间大多采用单一或组合通信技术,结构不灵活,覆盖范围受限,鲁棒性不高,定位精度有限;使用单一或组合测距技术,无法根据使用场景的不同自适应选择最优测距技术;位置求解算法固定,无法根据使用场景的不同和信号变化自适应选择最优求解算法。提出了全源矿井定位新范式,可根据定位环境和目标承载平台的变化,从所有可用定位信号测量设备中动态选择满足当前需求的最优设备组合,自适应地从可用的测距算法、位置解算算法、结果优化算法中选择最优的算法组合,计算出目标节点的最优位置。给出了全源矿井定位系统架构,探讨了矿井中可用的定位信号测量设备和可用于定位的测量属性值类型,对比了单一矿井定位与全源矿井定位在定位服务器方面的功能差异。研究了全源矿井定位中的3项关键技术:统一定位框架技术,旨在解决全源定位的模块化、组合式、可扩充需求;全源定位信息融合技术,对测量属性值进行有机组织,达到提高定位精度的目的;通信定位一体化技术,通过无线通信网络本身所具有的定位能力,简化全源矿井定位系统的设计并提高定位精度。提出了基于“端-边-云”的全源矿井定位系统实施架构,以便与煤矿智能化的主流建设模式相适应,大幅降低实施难度和系统成本。

矿井无线通信系统现状与发展趋势

矿井无线通信系统具备通信覆盖范围广、连接方便、移动性好、组建容易、设置和维护简单等优点,在矿井智能化建设中具有不可替代的作用。全矿井无线通信系统目前主要有WiFi(IEEE 802.11b/g/n/ac),3G,4G,5G,WiFi6(IEEE 802.11ax)系统,其中3G系统正逐步被替代,4G和WiFi系统逐步减少,5G和WiFi6系统目前为起步阶段,并将逐步成为主流。从技术要点、主要功能、应用情况等方面分析了4G,5G,WiFi/WiFi6系统,指出各系统的优点和存在的不足:①矿用4G无线通信系统在带宽和实时性指标方面无法达到高清智能视频和远程控制等应用场景的需求。②5G在多系统、多天线情况下存在无线发射信号的安全问题;5G基站以隔爆兼本安型为主,质量大、体积大,使用不便且使用场合受限;5G终端生态匮乏,通信模组价格高、功耗大,不具备规模行业应用条件;实际应用案例少,应用场景有待进一步挖掘。③WiFi6无线通信系统时延偏高、移动性和可靠性相对较低,加上手机终端不够成熟,影响了语音通话质量。基于上述分析,指出智能矿井对无线通信系统的需求为大带宽需求;低时延、高可靠需求;多接入需求;多系统多接口需求;位置信息需求。最后指出矿井无线通信系统未来发展趋势,即系统融合(无线通信和有线通信融合、无线通信内部融合、无线通信系统和其他系统融合)、通信定位一体化、设备本质安全、终端模组低功耗、协议接口规范化。